DE3203911A1 - Verfahren zur erhoehung der maximaldrehzahl einer synchronmaschine bei vorgegebener erregerfeldstaerke und klemmspannung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrens - Google Patents
Verfahren zur erhoehung der maximaldrehzahl einer synchronmaschine bei vorgegebener erregerfeldstaerke und klemmspannung und schaltungsanordnung zur durchfuehrung des verfahrensInfo
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Description
SIEMENS AKTIENGESELLSCHAFT Unser Zeichen Berlin und München VPA 82 P 3 0 2 5 DE
Verfahren zur Erhöhung der Maximaldreh^öhl einer
Synchronmaschine bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Klemmenspannung und Schaltungsanordnung zur
Durchführung des Verfahrens
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erhöhung der Maximaldrehzahl einer Synchronmaschine mit konstanter
Erregerfeldstärke mit einem vorgeschalteten Stromrichter, dem ein Wirkstrom-Sollwert vorgegeben wird, dessen
Phasenlage in Abhängigkeit von der Lage des Rotors der Synchronmaschine geregelt wird und dessen Amplitude in
Abhängigkeit von einem Drehzahl-Sollwert geregelt wird.
Stromrichter der genannten Art zur Speisung einer Synchronmaschine sind im Handel erhältlich. Ein Beispiel
einer solchen, auch als selbstgesteuerte Synchronmaschine bezeichneten Anordnung ist in Figur 1 dargestellt.
Ein Stromrichter 6 speist einen Synchronmotor 7, auf dessen Welle ein Rotor-Lagegeber 8 angeordnet ist.
Aus dem Rotor-Lagesignal y ist wird durch einen Umformer
9, beispielsweise einen Differenzierer ein Drehzahl-Istwert n^st gebildet. Dieser Drehzahl-Istwert nist
wird mit einer Subtrahierschaltung 1a mit einem Drehzahl-Sollwert
ngoll verglichen. Die Differenz zwischen SoIl-
und Istwert wird einem Drehzahlregler 1 zugeführt, der PI-Verhalten aufweist. Dem Drehzahlregler 1 ist ein
Koeffizientenmultiplizierer 2 nachgeschaltet. Am Ausgang des Koeffizientenmultiplizierers 2 steht der
Sollwert für die Amplitude des Wirkstroms 1Ws0H an·
Dieser Sollwert wird einem Vektordreher 3 zugeführt.
An den Steuereingängen des Vektordrehers 3 steht das
Sid 2 Bim / 01.02.1982
' - - %.·-..·■>
— - -5203911
- 2T - VPA 82 P 3 0 2 5 DE
Ausgangssignal des Rotor-Lagegebers 8 an. Damit werden
drei rotierende Vektoren für die Sollströme Iso11r»
*3ο1τφ in den einzelnen Phasen der Synchronmaschine
gebildet. Der Betrag dieser Vektoren stimmt mit dem Wirkstrom-Sollwert %soll überein. Die Phasenlage
der Vektoren wird durch das Rotor-Lagesignal y * +
so gesteuert, daß sie in Phase mit den entsprechenden Polradspannungen der Synchronmaschine liegen, d.h. daß
die Sollsi:röme I301111, I80113, "J8011T synchron zu den
entsprechenden Polradspannungen sind. Ein Vektordreher der hler benötigten Art ist beispielsweise aus dem
Artikel "Das Prinzip der Feldorientierung, die Grundlage für die Transvektor-Regelung von Drehfeldmaschinen"
in Siemens-Zeitschrift 45, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 757 bis 760 bekannt.
Der so erhaltene dreiphasige Sollwert IsollR bis Ig011^
wird in den Subtrahierstufen 4a bis 4c mit den entsprechenden
Istwerten I1s+r bis I1 +«, verglichen. Die
Stromistwert I1st werden mit Stromwandlern, die in die
Anschlußleitung des Synchronmotors 7 geschaltet sind, • gewonnen. Zur Regelung der Maschinenströme wird die
Ausgangsspannung des Stromrichters 6 als Stellgröße verwendet.
Dazu werden die Subtraktionsglieder 4a bis 4c über Stromregler 5a bis 5c, deren Ausgänge die Spannungen
abbilden, die nötig sind, um die Strom-Soll-Istdifferenz
zu Null zu machen, den Steuereingängen des Stromrichters 6 zugeführt. Die Ausgangsspannung des
Stromrichters 6 wird in bekannter Weise beispielsweise durch Pulsbreitenmodulation verändert.
In der Praxis wird die Vektordrehung sowie die Stromregelung meist nur für zwei Phasen ausgeführt, da in
symmetrischen Drehstromsystemen die Vektorsumme der drei sinusförmigen Phasenströme stets Null ist. Der
Stromwert für die dritte Phase kann daher durch Summenbildung der beiden anderen Stromwerte gewonnen werden.
-J- VPA 82 P 3 0 25 DE
Mit der beschriebenen Regeleinrichtung werden also der Synchronmaschine sinusförmige Ströme eingeprägt, die in
Phase zur Jeweiligen· induzierten Polradspannung liegen und somit ein maximales Drehmoment erzeugen*
Figur 2 zeigt das für stationäre Vorgänge vereinfachte einphasige Ersatzschaltbild einer Synchronmaschine unter
Vernachlässigung der ohmschen Widerstände in der Ständerwicklung und Zusammenfassung der Streureaktanz
und der synchronen Reaktanz zur Reaktanz X. Wenn der Strom I in Phase mit der Polradspannung E ist, was
durch die dargestellte Regelung sichergestellt wird, so steht die an der Reaktanz X abfallende Spannung im
Vektordiagramm senkrecht auf E und der Betrag der an der Synchronmaschine anstehenden Klemmenspannung U^
ergibt sich dann zu:
υκι = "ρ+ (Ι χ)2
2Q Die Polradspannung E ist proportional zur Istdrehzahl
nist ^er synclir'oninascnine sowie zur Erregerfeldstärke.
Bei gegebenem Strom I und konstanter Erregerfeldstärke
ist die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine dann erreicht, wenn die Klemmenspannung U^ gleich der höchstmöglichen
Ausgangsspannung des Stromrichters 6 wird. Um bei gegebener Grenze der Wechselrichter-Ausgangsspannung
die Maximaldrehzahl zu erhöhen, ist es bekannt, die Erregerfeldstärke zu verringern. Dies setzt Jedoch eine
eigene Steuereinrichtung für den Erregerstrom voraus und ist z.B. bei permanenterregten Synchronmaschinen unmöglich.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens
anzugeben, wobei die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Klemmenspannung
erhöht wird.
82 P3 0 25DE
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß
bei Ist-Drehzahlen injo+i>nn die Amplitude des Wirkstrom-Sollwerts
auf einen zum Faktor n/nQ umgekehrt proportionalen Wert begrenzt wird und zum Wirkstrom-Sollwert
ein gegenüber diesem um plus 90° verschobener Blindstrom-Sollwert addiert wird, dessen Amplitude
proportional zu (1 - nQ/ n^s^) ist, wobei nQ ein vorgegebener
Drehzahlwert ist, bei dem die Summe der Polradspannung
E der Synchronmaschine und des Spannungsabfalls in der Ständerwicklung maximal gleich der größtmöglichen
Ausgangsspannung des Stromrichters ist.
Durch die Addition des Blindstrom-Sollwerts wird an der Reaktanz X ein Spannungsabfall erzeugt, der der
Polradspannung E entgegen gerichtet ist. Dadurch kann die Polradspannung um diesen Spannungsabfall größer als
die Ausgangsspannung des Stromrichters werden. Es ist also eine Steigerung der Maximaldrehzahl der Synchronmaschine
möglich. Um mit der Drehzahlerhöhung keinen erhöhten Spannungsabfall an der Reaktanz X durch den
Wirkstrom zu bekommen, wird dieser umgekehrt proportional zur Drehzahl verringert.
Vorteilhafterweise ist der Drehzahlwert n« proportional
zur Netzspannung des den Stromrichter speisenden Versorgungsnetzes.
Der Drehzahlwert n0, bei dem die Verringerung
des Wirkstrom-Sollwerts und Addition des Blindstrom-Sollwerts einsetzt, wird damit an die maximale
Ausgangsspannung des Stromrichters angepaßt. 30
Bei einer Schaltungsanordnung zur Durchführung des
Verfahrens mit einem Drehzahlregler, dem die Abweichung der Istdrehzahl der Synchronmaschine von der Solldrehzahl
zugeführt ist und dem über einen ersten Koeffizientenmultiplizierer
ein erster Vektordreher nachgeschaltet ist, dessen Steuereingänge mit einem Rotor-Lagegeber
verbunden sind, wobei am Ausgang des ersten
VPA 82 P3 025DE
Vektordrehers der Wirkstrom-Sollwert ansteht, ist dem Drehzahlregler vorteilhafterweise ein erster Begrenzer
nachgeschaltet, der das Ausgangssignal des Drehzahlreglers
auf einen zum Faktor /nis-t//nn Umgekehrt
proportionalen Wert begrenzt und der Drehzahl-Istwert /n, +/ einem ersten Kennliniengeber zugeführt ist, der
daraus eine Größe Lg* bildet, die bei Drehzahl-Istwerten
/nist/ <nQ gleich Null und bei Drehzahl-Istwerten
/nist/>nQ proportional zu (1-n-)/nist) ist, wobei der
Ausgang des ersten Kennliniengebers über einen zweiten Koeffizientenmultiplizierer mit einem zweiten Vektordreher
verbunden ist, dessen Steuereingänge mit dem Rotor-Lagegeber verbunden sind und dessen Ausgangssignal
gegenüber dem Rotor-Lagesignal um 90° gedreht ist, wobei die zugeordneten Ausgänge der beiden Vektordreher
mit einem Addierglied verbunden sind, an dessen Ausgang der Strom-Sollwert ansteht.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann damit mit wenigen
Elementen realisiert werden.
Zweckmäßigerweise ist der Steuereingang des ersten Begrenzers mit dem Ausgang eines zweiten Kennliniengebers
verbunden, an dessen Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ansteht, wobei der Kennliniengeber bei Drehzahl-Istwerten
/n^ ^/< nQ ein konstantes Ausgangssignal
und bei Drehzahl-Istwerten /nist/
> nQ ein zum Faktor
η /nQ umgekehrt proportionales Ausgangssignal liefert.
Der Begrenzer wird also durch den zweiten Kennliniengeber so gesteuert, daß bei Drehzahl-Istwerten
der virks-t:rom"Sollwert begrenzt wird.
Der zweite Kennliniengeber besteht vorteilhafterweise aus einem ersten Summierverstärker, an dessen invertierendem
Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ansteht und an dessen nichtinvertierendem Eingang der
' - 0 - VPA 82 P3 0 25 DE
Drehzahlwert η« anstellt, wobei der erste Summierverstärker
durch Rückführdioden als Idealgleichrichter geschaltet ist, wobei der Ausgang des ersten Summierverstärkers
über einen Widerstand mit einem Eingang eines zweiten Summierverstärkers verbunden ist und
wobei an demselben Eingang des zweiten Summierverstär-
. kers der Maximalwert für den Wirkstrom-Sollwert ansteht.
Bei einem derartigen Kennliniengeber wird die Funktion';--, t/n--durch eine linear abfallende Funktion
angenähert. Diese Annäherung ist jedoch für den in Frage kommenden Drehzahlbereich ausreichend.
Der Begrenzer kann zwei entgegengesetzt gepolte, miteinander verbundene Dioden enthalten, deren Verbindungspunkt
über einen Widerstand mit dem Ausgang des Drehzahlreglers verbunden ist und deren zweiter Anschluß
direkt bzw. über einen Inverter mit dem Ausgang des zweiten Kennliniengebers verbunden ist. Der
Begrenzer kann also mit zwei Dioden ausgeführt werden.
Der erste Kennliniengeber kann einen Summierverstärker
enthalten, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts und an dessen invertierendem
Eingang der Drehzahlwert nQ ansteht, wobei der
Summierverstärker durch Rückführdioden als Idealgleichrichter geschaltet ist und wobei dem Summierverstärker
ein Widerstand nachgeschaltet ist, der über eine erste Diode mit dem Betrag des Drehzahl-Istwerts
und über einen Impedanzwandler mit dem Ausgang des Kennliniengebers verbunden ist. Ein derartig
aufgebguter Kennliniengeber liefert eine Näherungsfunktion für den Faktor (1- no/|nisi./), mit der die
gewünschte Funktion jedoch ausreichend genau angenähert werden kann.
-..-...- ·..·.:.- ·..- -'32 03Θ11
-γ- VPA 82 P 3 O 2 5 OE
Das erfindungsgemäße Verfahren sowie eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens wird nachfolgend
beispielhaft anhand der Figuren 2 bis 8 näher erläutert.
Zur Erläuterung des Verfahrens ist in Figur 3 ein Vektordiagramm des Synchronmotors dargestellt. Dabei
wird zunächst davon ausgegangen, daß die Synchronmaschine zunächst noch im Normalbetrieb ist, also das
erfindungsgemäße Verfahren noch nicht eingesetzt hat. Die Synchronmaschine dreht sich mit der Drehzahl Hq
und es fließt ein Strom IQ in den Ständerwicklungen. Der sich mit der Drehzahl nQ drehende Rotor induziert
in der Ständerwicklung die Polradspannung EQ. Aufgrund
der bereits erläuterten Regelung befinden sich der Ständerstrom In und die Polradspannung En in Phase.
Der Strom Iq wird daher im folgenden auch als Wirkstrom bezeichnet. Der Wirkstrom Iq erzeugt an der Reaktanz
X einen Spannungsabfall X * Iq, der im Vektordiagramm
senkrecht zur Polradspannung Eq liegt. An den Klemmen des Motors steht damit eine Klemmenspannung UK1
an, die sich durch Addition der Vektoren E0 und X . Iq
ergibt. Diese Klemmenspannung Urn weist folgenden
Betrag auf:
Ό2 ♦ < /I0N2
Wenn/U^/ die maximal erreichbare Ausgangsspannung des
Stromrichters 6 ist, d.h. Iu1nI= nvlrna^, so ist die der
_^. JVX 2YXIIIcIX
Polradspannung Eq zugeordnete Drehzahl nQ gleich der
maximal erreichbaren Drehzahl nQ. Wie sich aus dem Vektordiagramm nach Figur 3 ergibt, ist die erreichbare
Drehzahl nQ proportional der maximal möglichen Klemmenspannung Ujnmax· Sie ist außerdem proportional
der Erregerfeldstärke der Synchronmaschine. Beide Größen lassen sich jedoch, wie vorausgesetzt, nicht
--44".
--Ji - . VPA 82 P3 0 25 DE
ändern. Ferner besteht eine gewisse Abhängigkeit-der
erreichbaren Drehzahl nn von der Größe des Wirkstroms Iq. Wenn beispielsweise der Statorstrom Iq = O ist, so
entfällt der Spannungsabfall an der Reaktanz X und die
Polradspannung E0 kann gleich der maximalen Klemmenspannung UjQmax werden, d.h. bis auf den Punkt F in
Figur 3 wandern. Dies ist mit einer entsprechenden
Drehzahlerhöhung verbunden.
Im folgenden soll Jedoch die Abhängigkeit der maximalen
—ν
Drehzahl vom Wirkstrom Iq vernachlässigt werden. Als Drehzahlwert n0 wird vielmehr ein Festwert gewählt, der beispielsweise dem beim erfindungsgemäßen Verfahren maximal zu erwartenden Ständerstrom IQ zugeordnet ist. Damit setzt zwar die Wirkstrombegrenzung sowie die Blindstromaddition bei kleineren Drehzahlen etwas früher ein als an sich erforderlich, dies wirkt sich jedoch nur geringfügig auf die Dynamik der Synchronmaschine aus.
Drehzahl vom Wirkstrom Iq vernachlässigt werden. Als Drehzahlwert n0 wird vielmehr ein Festwert gewählt, der beispielsweise dem beim erfindungsgemäßen Verfahren maximal zu erwartenden Ständerstrom IQ zugeordnet ist. Damit setzt zwar die Wirkstrombegrenzung sowie die Blindstromaddition bei kleineren Drehzahlen etwas früher ein als an sich erforderlich, dies wirkt sich jedoch nur geringfügig auf die Dynamik der Synchronmaschine aus.
-::.,:■
Wenn man die Drehzahl η über nQ hinaus erhöht, so
steigt die Polradspannung E beispielsweise auf den in Figur 3 dargestellten Wert E1. Proportional mit der
Drehzahl steigt auch der Spannungsabfall XIQ an der
Reaktanz X. Die Klemmenspannung UK1 müßte dazu ohne
zusätzliche Maßnahmen bis zu dem in Figur 3 mit A bezeichneten
Punkt ansteigen, was jedoch aus den dargelegten Gründen nicht möglich ist. Um auch bei der dargestellten
Polradspannung E1 nur auf die Klemmenspannung
UjQmax zu kommen, wird zunächst der Wirkstrom auf
einen Wert ϊ^ν reduziert. Dieser ist so gewählt, daß
der Spannungsabfall I1 v trotz der bei der höheren Drehzahl
höheren Reaktanz X1 gleich dem Spannungsabfall XIq
bei der Drehzahl nQ bleibt. Dazu wird der Wirkstrom Iw
über der Drehzahl nQ umgekehrt proportional zum Faktor
n/nQ begrenzt. Damit gelangt man zum Punkt B im Vektordiagramm. Außerdem wird zum Strom I1 w, der wie der
- /- VPA 82 P3 0 25 DE
Strom Iq in Phase zur Polradspannung E liegt und damit
ein reiner Wirkstrom ist, ein Blindstrom I-. „ addiert,
der der Polradspannung E um 90° voreilt. Dieser Blindstrom""?^
erzeugt an der Reaktanz X ebenfalls einen Spannungsabfall Ugx, der gegenüber dem Blindstrom I1«
°
gx 1
um 90° und damit gegenüber der Polradspannung E um 180° verschoben ist. Der durch den aufaddierten Blindstrom
Ij,tj erzeugte Spannungsabfall ϋΏΥ ist also der Polradspannung
E entgegengerichtet. Der BlindstromanteilLJg
ist so gewählt, daß der dadurch bedingte Spannungsabfall Ugx gerade die Zunahme der Polradspannung ,ΔΕ aufgrund
der Drehzahlerhöhung über nQ hinaus kompensiert.
Wenn also L die Summe von Streuinduktivität und synchroner Induktivität ist und die Polradspannung~E
gleich ρ χ η ist, so ergibt sich folgender Zusammenhang:
IB«2frn*L = p(n- nQ)
20
B 2TTL u η
Der Blindstromanteil Iß muß also proportional zu
1- Πφ/η gewählt werden.
Der Wirkstrom Iw muß, wie bereits erläutert, über der
Drehzahl nQ umgekehrt proportional zum Wert η begrenzt
werden.
Die bisher dargestellten Überlegungen gelten für den Motorbetrieb. Diese lassen sich jedoch analog auch für
den im rechten Teil des Diagramms nach Figur 3 dargestellten
Generatorbetrieb anwenden, wobei lediglich der Wirkstrom I1^, ein entgegengesetztes Vorzeichen auf
weist, während der Blindstrom~ΐ^Β, sein Vorzeichen
behält.
- VPA 82 P 3 0 2 5 DE
Mit dein dargestellten Verfahren gelingt es also, bei vorgegebener Erregerfeldstärke und Versorgungsspannung
die Maximaldrehzahl der Synchronmaschine zu erhöhen. Eine Grenze für die Drehzahlerhöhung ist dadurch gegeben,
daß mit abnehmendem Wirkstrom natürlich auch das Drehmoment der Synchronmaschine abnimmt. Mit abnehmendem
Drehmoment wird damit auch das Beschleunigungsvermögen der Synchronmaschine geringer, so daß
diese im höheren Drehzahlbereich eine schlechtere Dynamik aufweist. Diese Einschränkungen stören jedoch
nicht bei Antrieben, beispielsweise bei Vorschubantrieben
von Werkzeugmaschinen, die in einem sogenannten Eilgang weitgehend unbelastet betrieben werden. Bei
Versuchen wurde ohne weiteres eine Erhöhung der Maximaldrehzahl um den Faktor 2 erreicht. Der die Synchronmaschine
speisende Stromrichter 6 muß selbstverständlich für die Belastung durch den zusätzlichen Blindstrom
ausgelegt sein und die Strombelastbarkeit der Synchronmaschine darf nicht überschritten werden, um eine
thermische Überlastung der Synchronmaschine zu vermeiden.
Eine Schaltungsanordnung zur Durchführung des Verfahrens ist in Figur 4 dargestellt. Dabei wird wie bei der bekannten
Schaltung nach Figur 1 in einer Subtraktionsschaltung 1a die Differenz zwischen Drehzahl-Sollwert
nsoll u*1** Drehzahl-Istwert nis-t gebildet. Diese Differenz
wird über einen Drehzahlregler 1 und einen Koeffizientenmultiplizierer 2 einem Vektordreher 3
zugeführt, der mit dem Ausgangssignaly is<t des Rotor-Lagegebtra
gesteuert wird. Das Ausgangssignal des Vektordrehers 3 liegt in Phase mit dem Lage-Istwert
§ ist' was durcl1 die Bezeichnung 0° im Schaltsymbol
des Vektordrehers 3 gekennzeichnet ist. In diesem Zweig liegt der einzige Unterschied zur bekannten Anordnung
darin, daß zwischen Drehzahlregler 1 und Koeffizientenmultiplizierer 2 ein Begrenzer 10
ΤΪ03911
- yi - VPA 82 P 3 O 2 5 DE
eingefügt ist, der entsprechend dem beschriebenen Verfahren das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 bei
Istdrehzahlen /n±s^^>
nQ umgekehrt proportional zum Faktor/ nist//n0 begrenzt. Der Begrenzer* 1Ö wird durch
einen Kennliniengeber 17 gesteuert, der das entsprechende Begrenzungssignal liefert. Dazu wird dem Kennliniengeber
17 der Drehzahl-Istwert n. + über einen
Betragsbildner 18, der negative Istwerte in positive Istwerte umwandelt, als Eingangsgröße In^ +/ zugeführt.
Der Einsatzpunkt nQ kann entweder fest vorgegeben werden oder - bei variabler Netzspannung - von dieser abhängig
gemacht werden. Da die Drehzahlgrenze der Synchronmaschine ohne Zusatzmaßnahmen proportional zur
Netzspannung U« ist, wird ein Meßwert für die Netzspannung
U^ über einen Koeffizientenmultiplizierer 19ι
an dessen Ausgang der Einsatzpunkt ng ansteht, einem
Parametereingang des Kennliniengebers 17 zugeführt.
Die Schaltung weist einen zweiten Zweig auf, in dem ein
Blindstromanteil für den Strom-Sollwert I301^ gebildet
wird. Dieser zweite Zweig enthält einen Kennliniengeber 11, der über einen Koeffizientenmultiplizierer 12 mit
dem Eingang eines zweiten Vektordrehers 13 verbunden ist. Der zweite Vektordreher 13 kann ebenfalls wie in
dem genannten Artikel in Siemens-Zeitschrift, Oktober 1971, Heft 10, Seiten 757 bis 760 dargestellt, aufgebaut
sein. Das Ausgangssignal des Vektordrehers 13 weist jedoch gegenüber dem Lage-Istwert ^ ist eine
Phasenverschiebung von 90° auf. Dies kann auf einfache Weise dadurch erreicht werden, daß bei der bekannten
Schaltung nach Bild 7 der genannten Literaturstelle die Eingänge für siny und cos^ vertauscht werden und
der Eingang für cos j) mit dem Inverter 13a invertiert
wird, da sin (90° + J) ) » cos j und cos (90° +f ) =
-sin j . Die am Ausgang des Vektordrehers 13 anstehenden Blindstrom-Sollwerte für die einzelnen Phasen
werden je. einem Summierer 14 bis 16 zugeführt, an
ν - W- - VPA 82 P 3 0 2 5 DE
dessen Eingang jeweils der Wirkstrom-Sollwert für die
betreffende Phase ansteht. Am Ausgang der Summierer 14 bis 16 steht Jeweils der zusammengesetzte Strom-Sollwert *söiiR-k*s 1SoIlT ^ür die einzelnen Phasen an.
Diese werden, wie bei der bekannten Schaltung -.nach
Figur 1, zur Stromregelung verwendet, wobei der Strom-Regelkreis
in Figur 4 nicht mehr dargestellt ist..
Dem Kennliniengeber 11 wird als Eingangsgröße ebenfalls
der Betrag des Drehzahl-Istwerts n* + zugeführt und
als Parameter ebenfalls der Einsatzpunkt nQ. Die Kennlinie
des Kennliniengebers 11 müßte an sich, wie erläutert,
der Funktion (1- Πζ/η^), wie sie in Figur 5
dargestellt ist, entsprechen. In dem hier interessierenden Bereich kann sie jedoch durch zwei Geraden, von
denen eine durch den Nullpunkt und die zweite durch den Einsatzpunkt nQ läuft, angenähert werden. Diese Annäherung
wird dadurch realisiert, daß in einem Teil 11a des Kennliniengebers 11 zunächst die Gerade A in Abhängigkeit
von der, Drehzahl /-nist / und vom Einsatzpunkt nQ
realisiert wird. Das Ausgangssignal des Kennliniengeberteils 11a wird dann mit einem nachgeschalteten
Begrenzer 11b entsprechend der Kennlinie B begrenzt. Damit wird also bis zum Schnittpunkt der beiden Kennlinien
A, B, die Kennlinie A und dann die Kennlinie B wirksam.
In Figur 6 ist ein Ausführungsbeispiel für den Kennliniengeber 11 dargestellt. Die Werte nQ und /nigt/
werden über Widerstände 11d, 11e den Eingängen eines Operptiojqsverstärkers 11c zugeführt. Dabei liegt das
Signal /n^s^./ am nichtinvertierenden Eingang, der zusätzlich
über einen Widerstand 11f an Masse liegt. Der
Ausgang des Operationsverstärkers 11c ist über eine Diode 11k, deren Anode dem Ausgang des Operationsverstärkers
11c zugewandt ist, mit seinem invertierenden Eingang verbunden. Außerdem ist der Ausgang des
- γ> - VPA 82 P 3 0 2 5 DE
Operationsverstärkers 11c über eine Diode 111, einen
Widerstand 11h und einen Impedanzwandler 111 mit dem
Ausgang des Kennliniengebers 11 verbunden. Der Verbindungspunkt von Diode 111 und Widerstand 11h ist
außerdem über einen weiteren Widerstand 11g mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11c
verbunden. Mit diesem Teil des Kennliniengebers 11 wird also ein Ausgangssignal gebildet, das der Differenz
/n^s^~ no propotional ist, d.h. der Kennlinie A
entspricht. Mit den Rückführdioden 11k und 111 wird . ein Idealgleichrichter gebildet, der den unerwünschten
negativen Bereich der Kennlinie abschneidet.
Zur Begrenzung des Ausgangssignals entsprechend der
Kennlinie B ist der Verbindungspunkt zwischen Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i über eine weitere
Diode 11m mit dem Ausgang eines Operationsverstärkers 11n verbunden. Der invertierende Eingang des Operationsverstärkers
11n ist mit dem Verbindungspunkt von Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i verbunden und
am nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 11n steht der Betrag des Drehzahl-Istwerts nis-t
an. Mit diesem Operationsverstärker 11n und der Diode
11m wird eine Ideal-Diode ohne Schwellwert realisiert, die leitend wird, sobald die Spannung am Verbindungspunkt
von Widerstand 11h und Impedanzwandler 11i
größer wird als der Betrag des Drehzahl-Istwerts /n- ^/
Damit wird also das Ausgangssignal entsprechend der Kennlinie B auf einem zum Drehzahl-Istwert In- +I
proportionalen Wert begrenzt.
Ein Ausführungsbeispiel für den Kennliniengeber 17 und den Begrenzer 10 ist schließlich in Figur 7 dargestellt.
Dabei ist der Betrag des Drehzahl-Istwerts /n. ,/ über einen Widerstand 17b mit dem invertierenden
Eingang eines Operationsverstärkers 17a und der Drehzahlwert nQ über einen Widerstand 17c mit dem
- 1Λ - VPA 82 P 30 2 5DE.
niehtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers
17a verbunden. Der nichtinvertierende Eingang ist außerdem über einen Widerstand 17d mit dem Bezugspotential der Schaltungsanordnung verbunden. Der
Operationsverstärker 17a weist als Rückführung eine Diode 17f zwischen seinem Ausgang und seinem invertierendem
Eingang auf, wobei die Anode der Diode 17f mit dem Ausgang des Operationsverstärkers 17a verbunden
ist. Dem Ausgang des Operationsverstärkers 17a ist eine Diode 17g nachgeschaltet, deren Kathode mit dem
Ausgang des Operationsverstärkers 17a verbunden ist. Die Anode der Diode 17g ist über einen Widerstand 17e
mit dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 17a verbunden. Mit diesem als Ideal-Gleichrichter
geschalteten Operationsverstärker 17a wird die Differenz nQ -I^iq^I gebildet, wobei nur negative Werte
übertragen werden. Wenn der Drehzahl-Istwert / n^g-^/
also unter dem Drehzahlwert nQ liegt, ist die Ausgangsspannung
des Operationsverstärkers 17a O. Wenn /nist/
über dem Einsatzpunkt nQ liegt, erhält man eine Kennlinie
mit negativer Steigung. Um daraus den gewünschten Kennlinienverlauf zu erzeugen, muß noch ein konstanter
Wert Imax addiert werden, der dem maximalen
Stromsollwert entspricht. Dies erfolgt mit einem wateren Operationsverstärker 17,, dessen invertierender
Eingang über einen Widerstand 11h mit der Diode 11g und über einen Widerstand 171 mit dem Wert Imax verbunden
ist. Der Operationsverstärker 17k weist einen Rückführwiderstand 17i zwischen seinem Ausgang und
seinem invertierenden Eingang auf. Am Ausgang des Oper%%ipnsverstärkers 17k steht also eine Spannung an,
die gleich Imax ist, solange /nist/<nQ und gleich
1JiIaX " (nist " n0^' wenn ^nist^>nO* mt dem Deschrie~
benen Kennliniengeber 17 wird die an sich gewünschte exakte Funktion V/nist/ in dem interessierenden Bereich
ausreichend angenähert.
32Ό3911
- /5 - VPA 82 P 3 0 2 5 DE
Der Ausgang des Kennliniengebers 17 ist mit dem Eingang
der Begrenzerschaltung 10 verbunden. Diese enthält zwei Idealdiodenschaltungen, die jeweils aus der
Reihenschaltung eines OperationsvefötiäPiirs 10a bzw.
10c und einer Diode 10b bzw. 10d bestehen. Der zweite Anschluß der Diode 10b bzw. 10d ist jeweils mit dem
invertierenden Eingang des zugeordneten Operationsverstärkers 10a bzw. 10c verbunden. Die dem Ausgang
des Operationsverstärkers 10a bzw. 10c abgewandten Anschlüsse der Dioden 10b bzw. 1Od sind in einem Verbindungspunkt
miteinander verbunden, wobei die beiden Dioden 10b bzw. 1Od entgegengesetzt gepolt sind. Das
zu begrenzende Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 ist über einen Widerstand 1Of dem Verbindungspunkt
der beiden Dioden 10b bzw. 1Od zugeführt. Das Ausgängssignal des Kennliniengebers 17 ist dem nichtinvertierenden Eingang des Operationsverstärkers 10c direkt
und dem nichtinvertierenden Eingang des Operations-Verstärkers 10a über einen Inverter 1Oe zugeführt. Solange
das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 zwischen dem Ausgangssignal des Kennliniengebers 17 und
dessen invertiertem Wert liegt, sperren die beiden Idealdiodenschaltungen 10a, 10b bzw. TQc, 1Od, so daß
das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1 unverändert auf dem Ausgang des Begrenzers 10 übertragen wird.
Wenn jedoch das Ausgangssignal des Drehzahlreglers 1
den Bereich verläßt, so wird eine der beiden Dioden 10b bzw. 1Od durch den zugeordneten Operationsverstärker 10a bzw. 10c leitend gesteuert und das Ausgangs-
signal des Begrenzers 10 wird auf das Ausgangssignal des Kennliniengebers 17 begrenzt.
Ein Ausführungsbeispiel für die Vektordreher 3 und ist in Figur 8 dargestellt. Definitionsgemäß sollen
die Werte Iwsoi π unci 1BsOlI als Vektoren betrachtet
werden, die in X-Richtung liegen und zur Bildung eines
"32Ό39ΊΪ
;^Τ VPA 82 P3 0 2 5 DE
DrehfeXdes in rotierende Vektoren umzuwandeln sind.
Dabei ist der Blindstrom-Sollwert Ig8011 gegenüber
dem Wirkstrom-Sollwert Iy3011 um +90° zu drehen. Ein
um die X-Achse um den Winkel y> gedrehter Vektor weist
nach den trigonometrischen Gleichungen im kartesischen
Koordinatensystem folgende Komponenten auf:
* cos '#■■
Wenn man einen derartigen Vektor nochmals um 90° dreht,
so erhält man:
1SoIlX ""1SOlI'
1SOlIY = 1SOlI '
1SOlIY = 1SOlI '
Zur Vektordrehung muß also der Sinus und der Cosinus
des vom Lagegeber 8 digital vorgegebenen Lagemeßsignals y^g-j- gebildet werden. Dies erfolgt z.B. mit je einem
Festwert-Speicher 20 bzw. 21, an dessen Adreßeingang
der Lage-Istwert J> . , ansteht. Damit werden im Festwert-Speicher
20 bzw. 21 die diesem Lage-Istwert yigt
zugeordneten Werte von ooay?is^ bzw. sinji?^s^ adressiert
und am Ausgang digital abgegeben. Der Ausgang des Festwert-Speichers 20 ist mit einem multiplizierenden
Digital-Analog-Wandler 3a und der Ausgang des Festwert-Speichers 21 ist mit einem multiplizierenden
Digital-Analog-Wandler 3b verbunden. Am Multiplikations
eingang der beiden Digital-Analog-Wandler 3a und 3b stej^t Ii^QjLIs der analoge Wirkstrom-Sollwert Iy3011 an#
Damit wird also mit dem Digital-Analog-Wandler 3a das
Produkt Iy3011 003^iSt 1^ mit dem Di8i'tal"Analog~
Wandler 3b das Produkt I^ ,, siny>>„+ gebildet. Am
Ausgang desDigital-Analog-Wandlers 3a steht damit
32Ü3911
- ft - VPA 82 P 3 O 2 5 DE
die X-Komponente und am Ausgang des Digital-Analog-Wandlers
3b die Y-Komponente des gedrehten Wirkstrom-Vektors IJ8011 an.
Zur Drehung des Blindstrom-Vektors Ig3011 ist der Ausgang
des Festwert-Speichers 20 mit dem Eingang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 13b und der
Ausgang des Festwert-Speichers 21 mit dem Eingang eines multiplizierenden Digital-Analog-Wandlers 13a
des zweiten Vektordrehers 13 verbunden. An den Multiplikationseingängen
der Digital-Analog-Wandler 13a und 13b steht jeweils der analoge Wert Ig3011 an. Damit
wird also mit dem Digital-Analog-Wandler 13a das Produkt ^"Bsoll s*ni^ist' also ^θ X-Komponente des gedrehten
Blindstrom-Vektors Ι]33θ11χ gebildet. Mit dem Digital-Analog-Wandler
13b wird das Produkt Ig3011 cos f±sf
also die negative Y-Komponente des gedrehten Blindstrom-Vektors -1B3Q11Y gebildet.
Die X- und Y-Komponenten des Wirkstrom-Vektors Ι^3θ11χ
bzw. ItysollY und des Blindstrom-Vektors Iu3011X bzw.
Ig τηγ werden jeweils mit den Summierern 14 bzw. 15
addiert, wobei die Komponente -Iß ο11γ einem Subtrahiereingang
des Summierers 15 zugeführt ist. Am Ausgang
des Summierers 14 steht die X-Komponente des gesamten Strom-Sollwerts Ι5θ11χ und am Ausgang des
Summierers 15 dessen Y-Komponente Ι3θ11γ an.
Diese zweiphasigen Größen müssen nun noch mit einem Koordinatenwandler 22 in ein dreiphasiges System Iso11r»
Isollo und Igon-iT umgewandelt werden. Ein derartiger
Koordinatenwandler ist beispielsweise auf Seite 7 der
am 02.09.1981 veröffentlichten europäischen Patentanmeldung 81101184 beschrieben.
35
35
8 Figuren
7 Patentansprüche
Claims (4)
- VPA 82 P3 0 25 DE PatentansprücheMv) Verfahren zur Erhöhung der Maximaldrehzahl einer Synchronmaschine mit konstanter Erregerfeldstärke mit einem vorgeschalteten Stromrichter, dem ein Wirkstrom-Sollwert vorgegeben wird, dessen Phasenlage in Abhängigkeit von der Lage des Rotors der Synchronmaschine geregelt wird und dessen Amplitude in Abhängigkeit von einem Drehzahl-Sollwert geregelt wird, dadurch g e k e η η ζ e i c h η e t , daß bei Ist-Drehzahlen /n, ^>nQ die Amplitude (^βΟιι) des Wirkstrom-Sollwerts (%soxi) auf> einen zum Faktor /n^/nQ umgekehrt proportionalen Wert begrenzt wird und zum Wirkstrom-Sollwert: ( I^ ^ ) ein gegenüber diesem um + 90° verschobener Blindstrom-Sollwert (^bsoII^ addiert wird,dessen Amplitude proportional zu (1-,__JL,) ist, wobeiist; (iIq-) ein vorgegebener Drehzahlwert ist, bei dem die Summe der Polradspannung (E) der Synchronmaschine und des Spannungsabfalls in der Ständerwicklung maximal gleich der größtmöglichen Ausgangsspannung (UjQmax) des Stromrichters (6) ist.
- 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drehzahlwert (n ) proportional zur Netzspannung (Un) des den Stromrichter (6) speisenden Versorgungsnetzes ist.
- 3. Schaltungsanordnung zur Durchführung eines Verfahrens nach Anspruch 1 oder 2, mit einem Drehzahlregler, dem die Abweichung der Ist-Drehzahl der Synchronmaschine von der Spüdrehzahl zugeführt ist und dem über einen ersten Koeffizientenmultiplizierer ein erster Vektordreher nachgeschaltet ist, dessen Steuereingänge mit einem Rotor-Lagegeber verbunden sind, wobei am Ausgang des ersten Vektordrehers der Wirkstrom-Sollwert ansteht, dadurch gekennzeichnet, daßVPA 82 P 3 0 2 5 DEdem Drehzahlregler (1) ein erster Begrenzer (10) nachgeschaltet ist, der das Ausgangssignal des Drehzahlreglers (1) auf einen zum Faktor ( /n^s^l Aiq) umgekehrt proportionalen Wert begrenzt und daß u&t Drehzahl-Istwert (/nig+/) einem ersten Kennliniengeber (11) zugeführt ist, der daraus eine Größe (Iß*) bildet, die bei Drehzahl-Istwerten (/ nijgt / < nQ) gleich Null und bei Drehzahl-Istwerten (/n^s^./ >V-q) proportional zunO
(1- ) ist, daß der Ausgang des ersten Kennlinien-1^ gebers (11) über einen zweiten Koeffizientenmultiplizierer (12) mit einem zweiten Vektordreher (13) verbunden ist, dessen Steuereingänge mit dem Rotor-Lagegeber (8) verbunden sind und dessen Ausgangssignal gegenüber dem Rotor-Lagesignal um 90° gedreht ist und'* daß die zugeordneten Ausgänge der beiden Vektordreher (3, 13) mit je einem Addierglied (14, 15) verbunden sind, an dessen Ausgang der Stromsollwert (I ,,) ansteht.*® - 4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 3» dadurch gekennzeichnet , daß der Steuereingang des ersten Begrenzers (10) mit dem Ausgang eines zweiten Kennliniengebers (17) verbunden ist, an dessen Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts (ln,B+l) ansteht, wobeipc ISX*-> der zweite Kennliniengeber (17) bei Drehzahl-Istwerten (fau ./>η0) ein zum Faktor ( -^)umgekehrt proportionales Ausgangssignal abgibt.5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4, dadurch ^0 gekennzeichnet, daß der zweite Kennliniengeber (17) aus einem ersten Summierverstärker (17a) besteht, an dessen invertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts (ln*3^l) ansteht und an dessen nichtinvertierendem Eingang der Drehzahlwert (n^) ansteht, daß der erste Summierverstärker (17a) durch Rückführdioden (17g, 17f) als Idealgleichrichter geschaltet ist,' ^* VPA 82 P3 0 25 DEdaß der Ausgang des ersten Summierverstärkers (17a) über einen Widerstand (17h) mit einem Eingang eines zweiten Summierverstärkers (17k) verbunden ist und daß an demselben Eingang des zweiten Summierverstärkers (17k) der Maximalwert für den Wirkstrom-Sollwert ( ansteht,6. Schaltungsanordnung nach Anspruch 4 oder 5>d a d u rc h gekennzeichnet, daß der Begrenzer (10) zwei entgegengesetzt gepolte, miteinander verbundene Dioden (10a, 10b; 10c, 1Od) enthält, deren Verbindungspunkt über einen Widerstand (1Of) mit dem Ausgang des Drehzahlreglers (1) verbunden ist und deren zweiter Anschluß direkt bzw. über einen Inverter (1Oe) mit dem Ausgang des zweiten Kennliniengebers (17) verbunden ist.7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Kennliniengeber einen Summierverstärker (11c) enthält, an dessen nichtinvertierendem Eingang der Betrag des Drehzahl-Istwerts ( n, + ) und an dessen invertierendem Eingang der Drehzahlwert (n^O ansteht, daß der Summierverstärker (He) durch Rückführdioden (11k,111) als Idealgleichrichter geschaltet ist und daß dem Summierverstärker (11c) ein Widerstand (11h) naohgeschaltet ist, der über eine erste Diode (11m) mit dem Betrag des Drehzahl-Istwerts ( n* +) und über einen Impedanzwandler (11i) mit dem Ausgang des Kennliniengebers verbunden ist.
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